Top 5 objevů Spitzerova teleskopu

Top 5 objevů Spitzerova teleskopu

19. července 2024

V minulém dílu našeho letního seriálu TOP 5 jsme hovořili o nejdůležitějších fyzikálních objevech kosmických observatoří v historii. Zahrnuli jsme tedy všechny observatoře, které kdy byly v kosmickém prostoru. V dalších pokračováních našeho fyzikálního miniseriálu ale svůj výběr upřesníme. Budeme se zabývat objevy, které provedly některé konkrétní sondy či teleskopy. Bude tak možnost si představit mnohem více téma než kolik jsme stihli v obecném přehledovém článku. Dnes se podíváme na předchůdce Webbova dalekohledu, v infračerveném záření pracující Spitzerův kosmický teleskop.

5) Mapa povrchu exoplanety

Umělecká představa planety u pulsaru.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

V dnešní době už téměř nejde napsat přehledový článek bez toho, aby bylo zmíněné téma exoplanet. V našem případě to bude dnes dokonce dvakrát. Z pozice vysmívaného oboru, který dělají jen podivíni a od kterého zkušenější vědci mladší zrazovali z obavy o pravděpodobné zničení jejich kariéry se během pouhých 30 roků stal jeden z nejperspektivnějších oborů astronomie, kterému se naopak chtějí alespoň trochu věnovat téměř všichni, kteří s tímto tématem přijdou do styku. Možnosti jsou obrovské, pravděpodobnost objevení nové planety je značná, ale nejen to. Dnes můžete dělat exoplanetární statistiku, objevovat bludné planety bez domovských hvězd volně se potulující Galaxií, hledat extrémní tělesa či prohlížet spektra planet.

Umělecká představa systému 51 Pegasi.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

O něčem takovém se průkopníkům oboru, kteří počátkem 90. let objevili první planety u pulsarů, a následně i první planetu u hvězdy hlavní posloupnosti, sotva snilo. Brzy se ukázalo, že náš systém není typický, ale máme zde i množství dalších zajímavých systémů a světů. Kupříkladu hned první objevená planeta u hvězdy hlavní posloupnosti 51 Pegasi b nám představila novou kategorii planet, jimž říkáme horcí Jupiteři. Jde o plynné obry, které obíhají velmi blízko své mateřské hvězdě, která je tak zahřívá na vysoké teploty. Podle standardních modelů vývoje planetárních systémů by takové planety neměly existovat, neboť plynní obři vznikají mnohem dále od svých hvězd. Dnes už ale víme, že může docházet k jejich migraci do blízkosti hvězdy.

Modrá, nikoliv zelená planeta. Umělecká představa HD 189733 b.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Takovým plynným obrem náležejícím do skupiny horkých Jupiterů je i HD 189733 b. Ta oběhne kolem své hvězdy za 2,2 dne a je od ní vzdálena jen 0,03 AU, tedy méně než 5 000 000 kilometrů. Teplota planety tedy dosahuje více než 1 000 Kelvinů. Planetu objevil v roce 2005 teleskop observatoře Haute-Provence, což je stejně pracoviště, které detekovalo i planetu 51 Pegasi b. Protože je HD 189733 b poměrně blízká, od Slunce ji dělí jen 64 a půl světelného roku (leží ve směru souhvězdí Lištičky), mohl se na ni přímo podívat i Hubbleův dalekohled. U HD 189733 b se poprvé podařilo určit barvu exoplanety. Umožnila to metoda polarimetrie, díky níž se povedlo stanovit míru odrazivosti planety a zjistit, že nabývá azurově modré barvy.

První teplotní mapa exoplanety v historii. Vědci ji vytvořili pro planetu HD 189733 b na základě pozorování Spitzerova dalekohledu.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Na HD 189733 b se zaměřil i Spitzerův dalekohled, který ji prohlédl v infračerveném záření. Získal na čtvrt milionu datových bodů, jež byly následně sestaveny do proužků od pólu k pólu. S jejich pomocí mohli vědci zmapovat teplotu „povrchu“ obří planety. Ta má přitom vázanou rotaci, takže hvězdě ukazuje stále jednu stranu. Ukázalo se však, že se teplota obou polokoulí zas tak zásadně neliší. Přivrácená strana dosahuje teploty asi 930 stupňů Celsia, odvrácená asi 650 stupňů. Astronomové se domnívají, že za vyrovnávání teploty mohou silné větry, které na planetě vanou (východním směrem) rychlostí až 9 600 kilometrů za hodinu. Díky Spitzerovu teleskopu tak mohli astronomové vytvořit první teplotní (a meteorologickou) mapu exoplanety.

4) Největší prstenec Saturnu

Prstence planety Saturn vyfocené sondou Cassini
Zdroj: http://www.unmannedspaceflight.com/

Skutečnost, že má obří plynná planeta Saturn prstence už dnes nemůže nikoho překvapit. Ostatně, objevil to už počátkem 17. století slavný italský astronom a matematik Galileo Galilei. Pozdější vědci pak, i díky asistenci kosmických sond, měli možnost prstence této planety prozkoumat podrobněji. Prstence se podařilo klasifikovat, ve vnitřní části Saturnova systému dnes známe prstence A, B, C a D. Mezi nimi též rozlišujeme několik mezer, přesněji Maxwellovu, Huygensovu, Cassiniho či Enckeho. Myslím, že poznáváte jména slavných astronomů, kteří všichni se pozorování Saturnu a jeho prstenců také věnovali. V 70. letech objevil Pioneer 11 prstenec F, nejvzdálenější prstenec vnitřní části. Mezi ním a prstencem A je Rocheova mezera.

Prstenec F a vliv měsíčku Prometheus. Zdroj: NASA

Ve vnější části rozlišujeme několik dalších prstenců, zejména prstence E a G a pak několik dalších pojmenovaných podle blízkých měsíců. Zdálo by se, že v dnešní době už musejí být všechny prstence Saturnu dávno nejpozději od dob sond Pioneer a Voyager, známy. Opak je však pravdou. Teprve v roce 2008 objevil Spitzerův dalekohled obří, dosud nejvzdálenější známý, prstenec Saturnu. Jeho vnitřní okraj se nachází asi šest milionů kilometrů od Saturnu a končí až o dalších dvanáct milionů kilometrů dále. Navíc je vůči ostatním prstencům skloněný o 27 stupňů. Uvnitř prstence obíhá asi 220 kilometrů velký měsíc Phoebe, jeden z nejvzdálenějších Saturnových satelitů, který je také pravděpodobným zdrojem materiálu tohoto prstence.

Obří prstenec Phoebe Ring u Saturnu.
Zdroj: https://ca-times.brightspotcdn.com/

Prstenec nazývaný podle měsíce často prstenec Phoebe je opravdu obrovský, kdyby byl viditelný pouhým okem, na naší obloze by byl dvakrát větší než Měsíc v úplňku. Takže proč byl objeven až takto pozdě? Je totiž velmi řídký, kdybyste se v něm nacházeli, přišlo by vám, že jste v prázdném prostoru, vůbec byste nepozorovali znaky prstence. Navíc se skládá z dosti malých částic, částečky větší než 10 centimetrů tvoří méně než 10 procent jeho objemu. Prstenec tak téměř neodráží viditelné světlo, zvláště u Saturnu, kde už je sluneční světlo poměrně slabé. Byl proto pozorován až v infračervené oblasti. Později jej prozkoumaly ještě sonda Cassini a teleskopy Herschel a WISE.

Protože je zdrojovým tělesem prstence převážně měsíc Phoebe, který obíhá retrográdně, proti směru rotace planety, má retrográdní pohyb i sám prstenec. Jeho přítomnost by mohla vysvětlit, proč má měsíc Iapetus dvě odlišné polokoule, jednu světlou, druhou tmavou. Vědci si myslí, že část tmavého materiálu velkého prstence se dostává blíže k Saturnu, kde se nachází i Iapetus. A protože tento měsíc obíhá standardně, částice z retrodgrádního prstence na něj narážejí, což způsobuje mírné ztmavnutí povrchu nacházející se ve směru dopadajícího materiálu. To ale plně nevysvětluje barvu povrchu. Částice prstence však zřejmě mohou za proces sublimace ledu z teplejších oblastí po níž zůstává na povrchu měsíce tmavý zbytkový materiál.

3) Fullereny v kosmickém prostoru

Fulleren C540
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

V hlubinách vesmíru se daří objevovat nejrůznější chemické látky, nejen jednotlivé chemické prvky, ale i jednodušší či složitější sloučeniny, mnohdy potřebné pro vznik či existenci života. A v neposlední řadě také některé velmi komplikované molekuly. Typickým příkladem jsou tzv. fullereny. Jde o zvláštní komplexní molekuly uhlíku, které jsou tvořeny stěnami pravidelných pětiúhelníků či šestiúhelníků a svinuty do uzavřeného tvaru. Existuje například fulleren, který vypadá přesně jako typický fotbalový míč. Známe ovšem i složitější molekuly, třeba i o 540 atomech. Fulleren tvořený 60 atomy je ovšem ze všech nejstabilnější. Za objev a výzkum fullerenů byla udělena dokonce i Nobelova cena za chemii (1996).

Možná si řeknete, proč mají fullereny právě tento název. Je to podle amerického matematika a architekta Richarda Fullera, který stavěl kupole podobných tvarů. A protože Fullerovo prostřední jméno bylo Buckminster, říká se těmto molekulám někdy buckminsterfullereny či jednoduše buckybally. Tyto molekuly objevili astronomové pomocí Spitzerova teleskopu před 14 roky poprvé v kosmickém prostoru. Nebyl to objev zcela neočekávaný. Už dříve vědci tušili, že by se tyto molekuly mohly někde v kosmu nacházet, avšak dříve než v roce 2010 je nedokázali nikdy detekovat. Podařilo se tak najít dosud největší molekuly, které kdy byly v kosmu pozorovány.

Fulleren C60
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Fullereny navíc mají zajímavé vlastnosti, které mohou být důležité pro pochopení některých fyzikálních či chemických procesů probíhajících ve vesmíru. Konkrétně se podařilo detekovat typický fulleren složený z šedesáti atomů. Jde právě o fulleren, který nejvíce připomíná černo-bílý fotbalový míč. Výzkumníci ale našli i o něco větší fulleren skládající se rovnou ze sedmdesáti uhlíkových atomů, který má tvar připomínající oválný ragbyový míč. To je právě dosud největší molekula nalezená v kosmu. Astronomům se je podařilo najít v planetární mlhovině Tc 1. Planetární mlhoviny jsou pozůstatky po závěrečných životních fázích méně hmotných hvězd, které odhazují své vnější obálky. Mlhovinu pak zahřívá bílý trpaslík, jádro zbylé z původní hvězdy.

Fullereny ve vesmíru.
Zdroj: https://d2pn8kiwq2w21t.cloudfront.net/

Nález fullerenů v těchto mlhovinách může souviset s krátkou fází v životě umírající hvězdy, kdy odhazuje vrstvy bohaté na uhlík. Vědci pochopitelně neviděli fullereny přímo, na to jsou tyto molekuly moc malé, ale dokázali rozpoznat jejich podpis v pozorovaném spektru. To bylo ovšem možné jen díky tomu, že byly přítomné fullereny zahřáté na správnou teplotu, za několik desítek let mohou vychladnout natolik, že je nebude možné detekovat. Astronomové pak porovnali měření z mlhoviny s laboratorními výsledky a zjistili shodu. Fullereny mají celou řadu možných aplikací v lékařství, vojenství či pokročilých technologiích. Tento objev ukazuje, že tyto zvláštní molekuly jsou tu s námi odnepaměti a ještě je můžeme najít na netušených místech.

2) TRAPPIST-1

Porovnání systémů Kepler-90 a Sluneční soustavy.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

O exoplanetách jsme v tomto článku již hovořili. Víme tak, že první objevy proběhly v 90. letech. Od té doby se však obor značně posunul. Dnes již známe celou řadu planetárních systémů s více než jednou planetou. Nejčastější jsou soustavy se dvěma či třemi planetami, teleskop Kepler ale objevil i hvězdu Kepler-90 s osmi planetami. HD 10180 má šest potvrzených planet, další tři jsou zatím nepotvrzení kandidáti. A zajímavá je situace u slavné hvězdy Tau Ceti. Potvrzenou planetu nemá ani jednu, avšak je zde hned deset (!) dosud nepotvrzených kandidátů, z toho čtyři velmi vážní. Ani v počtu planet není tedy Sluneční soustava výjimečná. Známe dnes už několik soustav se stejným počtem planet či alespoň kandidátů. A lze důvodně očekávat, že další budou přibývat.

Teleskop TRAPPIST umístěný na observatoři La Silla v Chile. Právě on stojí za objevem asi nejslavnějšího planetárního systému u cizí hvězdy.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Možná jste si však povšimli, že jsme jeden systém s mnoha planetami vynechali. Ano, jedná se o onu legendární soustavu TRAPPIST-1. Objevil ji v roce 2016 Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope (TRAPPIST), který využívá přístroje observatoře La Silla v Chile a observatoře Oukaïmeden v Maroku. TRAPPIST-1 je od nás vzdálena 40 světelných let a leží ve směru známého souhvězdí Vodnáře, které náleží do zvěrokruhu. Hvězda samotná je červený trpaslík, nejmenší a nejchladnější typ hvězd hlavní posloupnosti. V tomto případě jde o nevýraznou hvězdu i na poměry červeného trpaslíka, vykazuje totiž spektrální typ M8, což je téměř nejchladnější možný typ, nižší teplotu už by dosahoval jen typ M9.

Přehled exoplanet systému TRAPPIST-1. Povrchy těles jsou smyšlené, jejich vzájemné poměry velikostí (i velikosti hvězdy) již však odpovídají skutečnosti. Hodnota ESI znamená Earth Similarity Index (Index podobnosti se Zemí). Jedná se stupnici od 0 do 1 pro stanovení podobnosti jiných planet se Zemí. Vzorec pro výpočet hodnoty ESI zahrnuje údaje o průměru, hustotě, únikové rychlosti a povrchové teplotě. Naše Země má v tomto indexu hodnotu 1, Mars 0,64 a Venuše 0,44. Trappist 1d a 1e s hodnotami ESI 0,9 a 0,86 se tak dostaly mezi pět dosud Zemi nejpodobnějších exoplanet.
Zdroj: http://planetary.s3.amazonaws.com/

Není tedy divu, že takto blízká hvězda byla objevena až před osmi roky. Jak je hvězda sama málo nápadná, o to výraznější je její planetární systém. Ještě v roce 2016 objevili vědci týmu TRAPPIST tři planety b, c a d. Ani ne o rok později se však na systém zaměřil i Spitzerův dalekohled a objevil zde další čtyři planety značené jako e, f, g a h. Žádná z nich není plynný obr, všechny mají zhruba velikosti Země až Marsu. Vzhledem k parametrům hvězdy obíhají však mnohem blíže než planety Sluneční soustavy. TRAPPIST-1 b je vzdálena od své hvězdy 1,7 milionu kilometrů a oběhne ji jednou za 1,5 pozemského dne. TRAPPIST-1 h obíhá 9,3 milionu kilometrů daleko a oběh mu trvá 12 dní. Celá soustava TRAPPIST by se tak pohodlně vešla dovnitř oběžné dráhy Merkuru.

Porovnání obyvatelných zón systému TRAPPIST-1 (nahoře) a Sluneční soustavy (dole). V dolní části si také můžete povšimnout znázornění toho, že celý systém TRAPPIST-1 by se pohodlně vešel dovnitř oběžné dráhy Merkuru.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Zásadní zjištění, které z tohoto systému máme je, že hned čtyři planety (d, e, f a g) leží uvnitř obyvatelné zóny své hvězdy. Jde o oblast v niž může existovat kapalná voda, což planetu činí, aspoň v principu, obyvatelnou. Tato zóna je u každé hvězdy v jiné vzdálenosti, Slunce je teplejší a zářivější než TRAPPIST-1, takže jeho obyvatelná zóna leží mnohem dále. Zatímco však u Slunce je v obyvatelné zóně jen Země (Venuše a Mars leží na jejích okrajích), u TRAPPIST-1 najdeme hned čtyři planety (z toho tři objevil Spitzer) bezpečně v obyvatelné zóně. Pokud tu však chcete hledat život, zadržte. Červení trpaslíci sice žijí velmi dlouho, jako hostitelské hvězdy života však nejsou příliš vhodné. Vykazují totiž vysokou aktivitu, například v podobě četných a masivních erupcí.

Čestné zmínky

Šipka ukazuje lokaci 13 000 světelných let vzdálené exoplanety objevené Spitzerovým teleskopem.
Zdroj: https://www.americaspace.com/

Samozřejmě, že i v tomto případě se na mnohé význačné objevy nedostalo. Co se týče exoplanet, ty mají v mém výčtu hned dvojnásobné zastoupení. Přesto by se jen z nich mohlo podařit sestavit celý článek. Spitzer totiž jako první kosmický teleskop viděl přímo světlo z exoplanety, nemusel tedy spoléhat jen na nepřímé měření. Navíc jako první nalezl molekuly v atmosférách exoplanet pomocí metody spektroskopie. A v neposlední řadě též pozoroval planetu vzdálenou 13 000 světelných let, tehdy nejvzdálenější známý objekt tohoto druhu, byť dnes už je tento rekord dávno překonán. Ale to není všechno. Spitzer provedl též klíčová pozorování hvězdotvorných oblastí, mlhovin v nichž se rodí mladé hvězdy. Povedlo se mu též velmi detailně zmapovat naši Mléčnou dráhu. A dokázal dokonce i studovat malé planetky prolétající blízko Země.

1) Vzdálené kvasary a supermasivní černé díry

Kvasar 3C 273 na snímku Hubbleova dalekohledu.
Zdroj: https://upload.wikimedia.org/

Kvasary jsou vzdálené a extrémně energetické objekty poprvé pozorované britskými astronomy v rádiové oblasti spektra počátkem 60. let. Tehdy způsobily revoluci v astrofyzice, protože šlo o objekty s vysokým rudým posuvem, přitom však vydávaly ohromný zářivý výkon, který navíc musel pocházet z relativně malé oblasti. Dlouho si astronomové nevěděli s vysvětlením kvasarů rady, nakonec se ukázalo, že je jejich vysoký rudý posuv dán kosmologicky, jsou od nás tedy velmi daleko. Některé kvasary dokonce určitou dobu patřily na první místo mezi nejvzdálenějšími známými objekty. Přesto tu byl problém, jak mohou kvasary z tak malé oblasti prostoru vysílat tolik energie? Řešení nakonec našli Edwin Salpeter a Jakov Zeldovič.

Umělecká představa supermasivní černé díry v centru velmi vzdálené galaxie.
Zdroj: https://www.sciencenews.org/

Předpokládali, že se v jádru kvasarů nachází nově známé a tehdy ještě poněkud kontroverzní objekty, černé díry, oblasti natolik silného zkřivení prostoročasu, že jim nemůže uniknout ani světlo. A to ne ledajaké, ale černé díry supermasivní, objekty s hmotností stovek milionů či miliard hmot našeho Slunce. Kolem černých děr najdeme spoustu plynu a prachu, či dokonce trosek slapovými silami zničených větších těles. Tyto částečky se koncentrují do tzv. akrečního disku, který v rovníkové rovině obklopuje černou díru. V akrečním disku probíhají velmi zajímavé a dosud ne zcela uspokojivě vysvětlené fyzikální procesy, jež generují obří množství energie pohánějící kvasar. Samotný kvasar je tak vlastně aktivní jádro větší okolní galaxie.

Kvasar QSO J0005-0006
Zdroj: https://www.mpia.de/

Protože je však kvasar tak energetický, mateřskou galaxii zcela přezáří. Dnes už známe mnoho typů aktivních galaxií a několik různých typů kvasarů. Dokážeme je detekovat i v obrovských vzdálenostech, dva rekordní od nás dokonce dělí lehce přes 13 miliard světelných let. Velkou zásluhu ve výzkumu vzdálených kvasarů má i Spitzerův teleskop. Podílel se totiž na pozorování kvasarů QSO J0005-0006 (v souhvězdí Ryb) a SDSS J0303-0019 (v souhvězdí Velryby). První má rudý posuv 5,85 a leží od nás 12,68 miliardy světelných let, druhý se pyšní rudým posuvem, 6,07 a je od nás 12,73 miliardy světelných let daleko. V době svého objevu měly rekordní vzdálenost. Jiné, vzdálenější kvasary byly objeveny až později.

Kvasar J0303-0019
Zdroj: https://www.mpia.de/

Jde navíc o kvasary první generace v nejranějších fázích svého vývoje. Zrodily se v době, kdy ve vesmíru ještě nebylo moc těžších prvků a tím pádem ani prachu. Jejich studium nám pomůže lépe pochopit vznik a vývoj hvězd, galaxií či černých děr, navíc nám může pomoci zjistit i některé kosmologické parametry. Ukázalo se, že jejich černé díry jsou ještě relativně malé (lehce přes 100 milionů hmot Slunce) a ještě se kolem nich nestačil usadit téměř žádný prach. Ten se v kosmu vesmíru začal objevovat ve větší míře právě v době, kdy se začaly tvořit první obří černé díry. Až do objevu těchto objektů nikdo bezprašné kvasary neviděl. A nikdo neviděl ani kvasary v takto rané fázi vývoje. Kromě Spitzeru má navíc na této klíčové práci podíl i teleskop Chandra.

Závěr

Článek věnovaný pěti nejdůležitějším objevům Spitzerova teleskopu je tedy tímto u konce. V příštím díle našeho letního seriálu TOP 5 se zaměříme na další z velkých observatoří NASA, konkrétně gama družici Compton.

Použité a doporučené zdroje

Spitzer NASA: https://science.nasa.gov/mission/spitzer/
Spitzer JPL: https://www.jpl.nasa.gov/missions/spitzer-space-telescope
Spitzer Caltech: https://www.spitzer.caltech.edu/

Zdroje obrázků

Kontaktujte autora: hlášení chyb, nepřesností, připomínky

Prosím čekejte...

Rubrika Věda a výzkum

Štítky: astrofyzika, astronomie, kosmologie, Spitzer, TOP5

Níže můžete zanechat svůj komentář.

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.